吳 溪 徐 達(dá) 穆 歌 李 闖

(①裝甲兵工程學(xué)院兵器工程系，北京 100072;②裝甲兵工程學(xué)院指揮與管理系，北京 100072)

維修性是指產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，按規(guī)定程序和方法進(jìn)行維修時(shí)，保持或恢復(fù)其規(guī)定狀態(tài)的能力［1］。維修性的定量要求主要是指維修時(shí)間，其中包括平均更換時(shí)間、平均修復(fù)時(shí)間等，傳統(tǒng)維修時(shí)間驗(yàn)證主要依托裝備實(shí)物樣機(jī)進(jìn)行，而目前裝備的設(shè)計(jì)階段數(shù)字樣機(jī)已成為裝備維修性設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)的主要手段，取代了實(shí)物樣機(jī)和局部電子樣機(jī)，導(dǎo)致裝備設(shè)計(jì)階段的維修時(shí)間驗(yàn)證工作難以進(jìn)行，嚴(yán)重影響了裝備維修性設(shè)計(jì)與裝備設(shè)計(jì)的并行開(kāi)展。本文提出一種基于數(shù)字樣機(jī)的裝備維修時(shí)間驗(yàn)證方法，旨在解決裝備設(shè)計(jì)階段應(yīng)用數(shù)字樣機(jī)對(duì)維修性定量要求進(jìn)行驗(yàn)證，為提高裝備的維修性提供驗(yàn)證方法和手段。

1 裝備維修時(shí)間驗(yàn)證模型

裝備維修過(guò)程是個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及到諸多因素，應(yīng)用數(shù)字樣機(jī)對(duì)維修過(guò)程進(jìn)行建模仿真是將維修過(guò)程分解開(kāi)來(lái)，針對(duì)某個(gè)維修活動(dòng)進(jìn)行層次化分解，分解為維修活動(dòng)層、維修任務(wù)層、基本維修任務(wù)層和標(biāo)準(zhǔn)維修動(dòng)素層。維修任務(wù)層可以根據(jù)維修過(guò)程的復(fù)雜程度選擇性使用，若維修過(guò)程簡(jiǎn)單，可以不使用維修任務(wù)層，將維修活動(dòng)直接分解為基本維修任務(wù);若維修過(guò)程復(fù)雜，為了便于維修活動(dòng)的層次分解，可以任意增加維修任務(wù)層。然后再將各任務(wù)層、標(biāo)準(zhǔn)維修動(dòng)素層的時(shí)間進(jìn)行綜合加權(quán)，得出維修活動(dòng)的維修時(shí)間參數(shù)。

不同維修事件的維修時(shí)間不同，同一維修事件由于維修人員技能差異、工具設(shè)備不同、環(huán)境條件不同，時(shí)間也會(huì)變。所以維修事件的維修時(shí)間也不是一個(gè)確定值，而是一個(gè)隨機(jī)變量［1］。當(dāng)維修時(shí)間確定，根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和維修方案等，能夠確定出相應(yīng)的維修活動(dòng)或基本維修作業(yè)順序。維修活動(dòng)是由基本維修任務(wù)串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)組成;基本維修任務(wù)由標(biāo)準(zhǔn)維修動(dòng)素串聯(lián)組成。維修活動(dòng)分解一般層次如圖1。

裝備完成一次維修活動(dòng)所需維修時(shí)間ˉMct預(yù)計(jì)模型為

式中:Tk為第k個(gè)維修任務(wù)的維修時(shí)間;k為維修任務(wù)總數(shù)。

第k個(gè)維修任務(wù)的維修時(shí)間Tk由基本維修任務(wù)時(shí)間TTask串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)維修作業(yè)模型組成，其維修時(shí)間預(yù)計(jì)模型如下。

1.1 維修任務(wù)時(shí)間預(yù)計(jì)模型

1.1.1 串行維修作業(yè)模型

一個(gè)維修活動(dòng)由若干個(gè)基本維修任務(wù)串聯(lián)組成時(shí)，如圖2所示。完成一次維修事件的時(shí)間就等于各項(xiàng)基本維修作業(yè)時(shí)間的累加值。

式中:TTaskm為第個(gè)基本維修任務(wù)時(shí)間;m為基本維修任務(wù)總數(shù)。

1.1.2 并行維修作業(yè)模型

當(dāng)一個(gè)維修活動(dòng)的各項(xiàng)維修作業(yè)是同時(shí)展開(kāi)并聯(lián)組成時(shí)，如圖3所示，基本的維修作業(yè)時(shí)間T應(yīng)是各項(xiàng)作業(yè)時(shí)間 Tk(1，2，…，m)的最大值，即:

式中:TTaskm為第m個(gè)基本維修任務(wù)作業(yè)時(shí)間;m為基本維修任務(wù)總數(shù)。

1.1.3 串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)維修作業(yè)模型

完成一次維修事件需要m項(xiàng)基本的串行維修作業(yè)，每項(xiàng)基本的維修作業(yè)時(shí)間Tk(1，2，…，m)之間相互獨(dú)立，則維修事件的維修時(shí)間:

當(dāng)維修活動(dòng)由若干個(gè)基本維修任務(wù)串、并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)混合組成時(shí)，對(duì)維修時(shí)間活動(dòng)逐層進(jìn)行等效，最終等效為一個(gè)串聯(lián)或并聯(lián)模型，如圖4所示。對(duì)各層中串聯(lián)部分維修時(shí)間采用公式(2)計(jì)算、并聯(lián)部分維修時(shí)間采用公式(3)計(jì)算。

1.2 基本維修任務(wù)時(shí)間預(yù)計(jì)模型

基本維修任務(wù)時(shí)間TTaskm預(yù)計(jì)模型為:

式中:TItemn為第n個(gè)標(biāo)準(zhǔn)維修動(dòng)素所需時(shí)間;n為標(biāo)準(zhǔn)維修作業(yè)總數(shù)。

標(biāo)準(zhǔn)維修動(dòng)素應(yīng)是持續(xù)時(shí)間短、相對(duì)變化小、具有相對(duì)獨(dú)立性和固定的作業(yè)流程的維護(hù)動(dòng)作，一般維修動(dòng)素是將基本維修任務(wù)分解到不可再分解的維修動(dòng)作，如走一步、抓取工具、旋轉(zhuǎn)一圈螺釘?shù)鹊?。通過(guò)統(tǒng)計(jì)、整理、分析出大量的維修動(dòng)素，建立裝備維修基本動(dòng)素模型庫(kù)，并且統(tǒng)計(jì)每個(gè)基本維修動(dòng)素所需要的時(shí)間構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間庫(kù)。針對(duì)同一維修標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)素，由于不同的維修環(huán)境以及維修人員技術(shù)熟練程度等原因，完成維修動(dòng)素所需的實(shí)際時(shí)間要依據(jù)專(zhuān)家評(píng)定轉(zhuǎn)換為規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)條件下的所需時(shí)間。

2 裝備維修時(shí)間驗(yàn)證方法

2.1 維修時(shí)間驗(yàn)證流程

基于數(shù)字樣機(jī)的維修時(shí)間驗(yàn)證是以裝備的數(shù)字樣機(jī)為基礎(chǔ)，通過(guò)在由維修人員人體模型、維修工具、維修設(shè)備等組成的虛擬場(chǎng)景中驅(qū)動(dòng)虛擬人完成裝備維修過(guò)程仿真，在進(jìn)行維修過(guò)程規(guī)劃、維修仿真、維修過(guò)程分析等同時(shí)驗(yàn)證裝備的維修時(shí)間，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)裝備設(shè)計(jì)和維修規(guī)劃中的缺陷和錯(cuò)誤，指導(dǎo)裝備設(shè)計(jì)人員進(jìn)行維修性設(shè)計(jì)改進(jìn)，提高產(chǎn)品的維修性，優(yōu)化維修過(guò)程。維修時(shí)間驗(yàn)證流程如圖5所示，主要包括以下4個(gè)模塊:

(1)維修性數(shù)據(jù)信息模塊。主要包括裝備的數(shù)字樣機(jī)、維修工具模型庫(kù)、人體模型庫(kù)、維修設(shè)施設(shè)備、維修人員的虛擬人體模型庫(kù)等，提供創(chuàng)建虛擬維修環(huán)境所需的幾何元素、基本特征和基本維修信息以及裝備各部件之間的裝配約束關(guān)系、零部件材質(zhì)等。

(2)虛擬維修環(huán)境建模。從維修性信息模塊提取相關(guān)信息，在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的軟、硬件平臺(tái)下創(chuàng)建維修仿真的虛擬環(huán)境，根據(jù)裝備的維修任務(wù)建立維修過(guò)程規(guī)劃、維修過(guò)程仿真以及維修過(guò)程分析，虛擬維修仿真流程如圖6所示，為下一步進(jìn)行維修時(shí)間驗(yàn)證提供裝備維修任務(wù)的虛擬仿真環(huán)境。

(3)人機(jī)交互模塊。將維修活動(dòng)分解到若干基本維修動(dòng)素，通過(guò)在虛擬維修仿真環(huán)境中調(diào)用基本維修動(dòng)素，完成對(duì)虛擬人體維修作業(yè)過(guò)程控制、維修工具選擇及維修性基本信息與虛擬維修環(huán)境的交互關(guān)系。

(4)結(jié)果輸出及建議模塊。在虛擬仿真環(huán)境中對(duì)維修任務(wù)進(jìn)行仿真，調(diào)用維修時(shí)間數(shù)學(xué)模型及維修動(dòng)素的標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)庫(kù)，得出裝備維修任務(wù)的維修時(shí)間分析結(jié)果，并根據(jù)分析結(jié)果提出維修性修改建議。

2.2 平均更換時(shí)間驗(yàn)證方法

根據(jù)裝備維修性驗(yàn)證參數(shù)體系，平均更換時(shí)間和平均修復(fù)時(shí)間是維修性定量要求中的重要指標(biāo)，由于在裝備的設(shè)計(jì)階段缺乏實(shí)物樣機(jī)，裝備平均修復(fù)時(shí)間統(tǒng)計(jì)工作無(wú)法進(jìn)行，而裝備的平均更換時(shí)間直接影響到平均修復(fù)時(shí)間，所以在數(shù)字樣機(jī)階段研究采用虛擬仿真技術(shù)基于維修動(dòng)素分解的思想對(duì)裝備平均更換時(shí)間進(jìn)行驗(yàn)證。

在裝備維修過(guò)程中，平均更換時(shí)間主要由更換部件或零件的拆卸時(shí)間和裝配時(shí)間組成，在指定的裝備部件其他因素都不改變的情況下，其每次更換時(shí)間是

式中:i和j分別是完成一次拆卸和裝配某設(shè)備所需要的動(dòng)素個(gè)數(shù)是完成第i個(gè)拆卸動(dòng)素所需要的平均時(shí)間是完成第j個(gè)裝配動(dòng)素所需要的平均時(shí)間。

2.3 平均修復(fù)時(shí)間驗(yàn)證方法

平均修復(fù)時(shí)間(MTTR)包括:準(zhǔn)備、檢測(cè)診斷、拆卸、安裝、調(diào)校及原件修復(fù)等6個(gè)時(shí)間，在裝備數(shù)字樣機(jī)設(shè)計(jì)階段只有拆卸時(shí)間和安裝時(shí)間(合稱(chēng)“平均更換時(shí)間”)是可控制、可設(shè)計(jì)的，也是可以驗(yàn)證的，其他4個(gè)時(shí)間受外界因素影響較大、時(shí)間波動(dòng)范圍較大，在設(shè)計(jì)階段應(yīng)用維修過(guò)程虛擬仿真很難準(zhǔn)確地進(jìn)行驗(yàn)證。本文采用裝備平均更換時(shí)間與其他時(shí)間因子相加得出修復(fù)時(shí)間，再由統(tǒng)計(jì)模型得出平均修復(fù)時(shí)間，如公式(6)所示，其中其他時(shí)間因子由專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)給出具體數(shù)值。固定值。在虛擬仿真環(huán)境中調(diào)用維修人員基本維修動(dòng)素庫(kù)完成裝備維修過(guò)程的部件拆裝作業(yè)仿真，通過(guò)維修時(shí)間的數(shù)學(xué)模型與基本維修動(dòng)素庫(kù)對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)維修工時(shí)自動(dòng)生成裝備的拆卸和裝配時(shí)間。平均更換時(shí)間(ˉT)的數(shù)學(xué)模型為:

式中:TMTTR為平均修復(fù)時(shí)間，ˉT為平均更換時(shí)間，ti為第i個(gè)時(shí)間因子。

3 實(shí)例驗(yàn)證

本文以維修變速箱為例對(duì)維修時(shí)間進(jìn)行驗(yàn)證分析，首先構(gòu)建一個(gè)符合實(shí)際的虛擬維修環(huán)境，在虛擬維修環(huán)境中導(dǎo)入變速箱的數(shù)字樣機(jī)、維修工具模型和虛擬維修人員，對(duì)維修對(duì)象進(jìn)行參數(shù)設(shè)定后對(duì)維修時(shí)的維修動(dòng)作進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)維修動(dòng)素調(diào)用和調(diào)試。實(shí)例中通過(guò)對(duì)維修人員動(dòng)作的調(diào)整使其完成與實(shí)際維修過(guò)程近似的維修動(dòng)作，如工具的抓取，螺釘?shù)牟鹦?，待修件的搬運(yùn)放置等，如圖7所示。

應(yīng)用平均更換時(shí)間的驗(yàn)證方法(公式5)以及通過(guò)調(diào)用與維修動(dòng)素庫(kù)中維修動(dòng)素對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)維修工時(shí)時(shí)間，得到維修變速箱的平均更換時(shí)間T=6.35 min并生成變速箱維修時(shí)間驗(yàn)證報(bào)告，如圖8所示。

通過(guò)維修過(guò)程和維修時(shí)間驗(yàn)證的對(duì)比分析，將維修時(shí)間分析細(xì)化到裝備維修過(guò)程的具體步驟，參考維修過(guò)程時(shí)間驗(yàn)證分析便于裝備設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)維修過(guò)程中的具體問(wèn)題，使維修時(shí)間驗(yàn)證更加準(zhǔn)確并有據(jù)可查。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種在裝備設(shè)計(jì)階段基于數(shù)字樣機(jī)的維修時(shí)間驗(yàn)證方法，通過(guò)裝備維修過(guò)程的虛擬仿真，調(diào)用維修時(shí)間模型和維修動(dòng)素對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)維修工時(shí)，得到維修任務(wù)的維修時(shí)間統(tǒng)計(jì)。實(shí)例驗(yàn)證表明，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)在裝備設(shè)計(jì)階段并行開(kāi)展對(duì)裝備維修時(shí)間的驗(yàn)證工作，便于在裝備設(shè)計(jì)階段對(duì)維修性設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化和控制。

［1］甘茂治.維修性設(shè)計(jì)與驗(yàn)證［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1995.

［2］呂川.維修性設(shè)計(jì)分析與驗(yàn)證［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2012.

［3］于海全，彭高亮，劉文劍.基于虛擬環(huán)境的維修性信息模型的建立［J］.兵工學(xué)報(bào)，2010，31(7):97 －100.

［4］GJB 2072－94.維修性試驗(yàn)與評(píng)定［S］.中華人民共和國(guó)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)，1994.

［5］GJB 368B－2009.裝備維修性工作通用要求［S］.中華人民共和國(guó)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)，2009.

［6］金永明.船舶維修性分析和評(píng)估方法研究［D］.上海:上海交通大學(xué)，2011.